[0001] Die Erfindung betrifft hoch- und warmfeste siliziumhaltige Aluminium-Gusslegierungen,
deren Herstellung und deren Verwendung zur Herstellung von Motorenkomponenten.
[0002] Zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowie zur Steigerung der Motorleistung
sind in den letzten Jahren die Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen der
Bennstoffmotoren bzw. Verbrennungskraft-maschinen, vor allem im Dieselmotor, gestiegen.
Dies führte zu erhöhten Anforderungen an die thermomechanischen Belastungen für Motorenkomponenten.
[0003] Im Stand der Technik sind insbesondere im Motorenbau Al-Gusslegierungen bekannt.
Al-Gussteile finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen Formgebung
und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Ebenfalls lassen sich über verschiedene
Gießverfahren komplizierte Werkstücke, wie z.B. Kolben, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse
oder Motorblöcke herstellen.
[0004] Eine bewährte Legierungsgruppe zur Herstellung von Motorenkomponenten sind Al-Si-Legierungen.
Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Siliziumgehalten zwischen 6 und 18 Gew.-%,
in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-% sowie mit Beimengungen von Magnesium von 1 bis
1,5 Gew.-%, Kupfer zwischen 1 und 4 Gew.-% und häufig auch Nickel zwischen 1 bis 3
Gew.-% legiert (Katalog "Aluminium-Gusslegierungen", VAW-IMCO).
[0005] Um die Warmfestigkeit der Al-Si-Legierungen zu verbessern, wird z.B. gemäß der
US 6 419 769 B1 empfohlen, den Kupfergehalt zwischen 5,6 und 8 Gew.-% einzustellen. Der Verbesserung
der mechanischen Festigkeit stehen aber in diesem Fall eine Verschlechterung der Duktilität,
Steigerung des spezifischen Gewichts sowie eine verminderte Korrosionsbeständigkeit
gegenüber.
[0006] Eine warmfeste Legierung mit reduziertem spezifischem Gewicht wird in der
DE-PS 747 355 als für Kolben besonders vorteilhaft beschrieben. Dieser Werkstoff zeichnet sich
durch einen Magnesiumgehalt zwischen 4 und 12 Gew.% und einen Siliziumgehalt zwischen
0,5 und 5 Gew.-% aus. Ferner können zwischen 0,2 und 5 Gew.-% Kupfer und/oder Nickel
zulegiert sein. Der hohe Magnesiumgehalt führt wegen der starken Wasserstoffaufnahme
zur Gasporosität. Die zusätzliche Oxidation birgt darüber hinaus die Gefahr von Oxideinschlüssen,
die die mechanischen Eigenschaften des Gussteils erheblich verschlechtern.
[0007] Bei allen oben genannten Al-Gusslegierungen bilden sich zwar über eine Wärmebehandlung
festigkeitssteigernde Mg
2Si- und Al
2Cu-Ausscheidungen, jedoch sind diese oberhalb 150 °C nicht stabil und daher den thermomechanischen
Belastungen moderner Motoren nicht gewachsen. Dagegen bleiben die intermetallischen
Phasen, wie Al
6Mn, Al
3Fe, Al
7Cr, Al
3Ni, Al
8Fe
2Si, Al
7Cu
4Ni, Al
15Mn
3Si
2, Al
5FeSi, Al
3Ti und Al
3Zr bei thermischer Langzeitbeanspruchung unbeeinflusst und können bei günstiger Ausbildung
(in Menge, Größe, Form und Verteilung) einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der
mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Legierungen für den Motorenbau leisten. Dabei
ist jedoch von besonderer Bedeutung, dass die homogene Verteilung und feine Ausbildung
der intermetallischen Phasen im Gussgefügte gewährleistet wird, um die Duktilität
der Legierung und ihre gießtechnologischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen.
[0008] Im Patent
DE 101 17 298 C1 wird eine Möglichkeit zur Gefügemodifizierung der AI-Si-Basislegierung durch Zugabe
von bis zu 3 Gew.-% Seltenen Erden offenbart. Die Zusätze an Seltenen Erden bewirken
eine wesentliche Feinung der intermetallischen Phasen, die eine erhebliche Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften insbesondere Dauerfestigkeit bei erhöhten Temperaturen,
zur Folge hat. Die Seltenen Erden sind jedoch sehr teuer und werden in der Praxis
selten eingesetzt.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Herstellung von Motorenkomponenten
geeignete Legierung bereitzustellen, die eine hohe Festigkeit, Warmfestigkeit, gute
Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit
aufweist und zudem preiswert ist.
[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gezielte Einstellung von Kohlenstoff
in den Al-Si-Legierungen in wirksamen Mengen von 0,0007 bis 0,1 Gew.-%, bevorzugt
von 0,0007 bis 0,05 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,001 bis 0,05 Gew.-%, weiter bevorzugt
0,001 bis 0,01 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,001 bis 0,005 Gew.-% gelöst.
[0011] Die Aluminium-Silizium-Legierung nach der Erfindung besitzt demnach folgende Zusammensetzung:
- 5 bis 25 Gew.-% Silizium,
- 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff,
- jeweils 0 bis 4 Gew.-% der folgenden Legierungsbestandteile, wobei bevorzugt wenigstens
einer dieser Bestandteile vorhanden ist und deren Summe bis 10 Gew.-%, vorzugsweise
bis 6 Gew.-%, weiter vorzugsweise bis 4 Gew.-% beträgt:
Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob,
Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium,
Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calzium, Antimon, Schwefel,
Barium, Phosphor,
- und als Rest auf 100 Gew.-% wenigstens 65 Gew.-% Aluminium einschließlich unvermeidbarer
Verunreinigungen, wobei es sich insgesamt um eine Gusslegierung handeln soll.
[0012] Vorzugsweise enthält die Aluminium-Silizium-Gusslegierung 5 bis 18 Gew.-%, insbesondere
12,5 bis 14,5 Gew.-% Silizium.
[0013] Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn weitere Elemente in der Legierung vorhanden
sind, wie oben angegeben. Hierbei handelt es sich um Zusätze, die im Vergleich mit
Aluminium und Silizium in untergeordneter Menge beigegeben wurden. So können beispielsweise
die folgenden Mengen an zusätzlichen Legierungsbestandteilen für das gewünschte Eigenschaftsprofil
von Vorteil sein:
0,1 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,6 Gew.-% Magnesium;
0,001 bis 0,5 Gew.%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-% Titan;
0,001 bis 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium;
0,001 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,6 Gew.-% Mangan;
0,001 bis 2,5 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,8 Gew.-% Eisen;
0,001 bis 0,5 Gew.%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kobalt;
0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom;
0,0001 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,01 Gew.-% Beryllium;
0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 1,5 Gew.-% Zink;
0,001 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 1,8 Gew.-% Kupfer;
0,001 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 3,0 Gew.-% Nickel;
0,001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Vanadium;
0,0001 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,5 Gew.-% Hafnium;
0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,4 Gew.-% Niob;
0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,2 Gew.-% Blei;
0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,04 Gew.-% Strontium;
0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,02 Gew.-% Natrium;
0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,004 Gew.-% Calcium;
0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,06 Gew.-% Bor;
0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Cer;
0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Scandium;
0,0001 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,01 Gew.-% Phosphor.
[0014] Die Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach der Erfindung zeichnet sich vorzugsweise
dadurch aus, dass in ihrem Gefüge feines Primärsilizium (kleiner als 50 µm) und veredeltes
Eutektikum gleichzeitig vorliegen, wie anhand des Schliffbildes zu erkennen ist. Dieser
Zustand ist bei nah- und übereutektischen Al-Si-Legierungen besonders anzustreben.
[0015] Der Veredelungsgrad des Eutektikums kann vom Gießereifachmann anhand der Ausbildungsformen
der eutektischen Silizium-Ausscheidungen visuell - beispielsweise mit Hilfe von Schliffbildern
- beurteilt werden. Für die visuelle Beurteilung siehe auch "Gießerei-Praxis" Nr.
11/12 - 1993, Seite 206 - 209, G. Chai, L. Bäckerud, "Wirksame Veredelung mit Strontium".
[0016] Die modifizierende Wirkung des Kohlenstoffs auf Gefüge und Eigenschaften der Al-Si-Legierungen
war bis zur Erfindung nicht bekannt. Es hat sich gezeigt, dass der erfindungsgemäße
Kohlenstoffgehalt eine Änderung des gesamten Erstarrungsverhaltens der Al-Si-Gusslegierungen
bewirkt und eine ausgezeichnet Gefügemodifizierung mit sich bringt. Als wesentliche
Merkmale der Gefügemodifizierung durch Kohlenstoff sind eine erhebliche Feinung und
homogene Verteilung der intermetallischen Phasen, eine gute Veredelung des Al-Si-Eutektikums
und gute Feinung der Primärsiliziumkristalle zu nennen. Das hat eine deutliche Verbesserung
der mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften zur Folge.
[0017] Durch Einstellung des erfindungsgemäßen Kohlenstoffgehaltes ist es auch möglich,
die Konzentrationsgrenzen wichtiger Legierungskomponenten, wie Titan, Zirkonium, Eisen,
Mangan, Chrom, Kobalt, Molybdän und je nach Anwendungsfall anderer Übergangselemente,
zu höheren Werten zu verschieben, ohne Legierungsqualität dabei zu beeinträchtigen.
[0018] Zum Beispiel bilden sich bei bekannten AI-Si-Legierungen mit Zirkonium-Gehalten von
über 0,3 Gew.-%, Titan-Gehalten von über 0,3 Gew.-% oder Eisengehalten von über 0,6
Gew.-% im Gefüge sehr lange nadelförmige spröde Phasen.
Die Bildung dieser groben intermetallischen Phasen, wie sie bei den konventionellen
Aluminiumlegierungen zu erwarten wäre, d. h. vor allem langer Nadeln intermetallischer
Phasen mit Übergangselementen wie z. B. Al3Zr, Al3Ti und Al5FeSi, wird durch Kohlenstoff
unterdrückt. Die für hohe Gehalte an Übergangselementen typischen sehr langen nadelförmigen
intermetallischen Phasen erscheinen in den kohlenstoffhaltigen Al-Si-Legierungen meist
als "Chinesische Schrift" bzw. als kleine Plättchen bis zu maximal 30 - 40 µm Länge.
Dies bringt wesentliche Vorteile mit sich, wie z. B. eine erhebliche Verbesserung
der Kornfeinungswirkung der Übergangselemente, sowie eine deutliche Steigerung der
mechanischen Eigenschaften, Warm-, Kriech- und Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen
Legierung. Beim Gießen zeigt die Schmelze ein deutlich verbessertes Formfüllungs-
und Fließverhalten, und an den fertigen Gussteilen kann eine merklich erhöhte Gussqualität
und insbesondere eine wesentlich geringere Gasporosität nachgewiesen werden.
[0019] Bei übereutektischen AI-Si-Legierungen ist die gleichzeitige Feinung des primären
Siliziums, die Veredelung des eutektischen Siliziums sowie die möglichst kleine Ausbildung
und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen für die Einstellung des gewünschten
Eigenschaftsprofils besonders wichtig. Diese seit langem angestrebte Modifizierung
der Gefüge konnte bisher nicht erzielt werden, da sich die Wirkungen von Strontium
und Phosphor gegenseitig aufheben. Durch Zulegieren der naheeutektischen und übereutektischen
Al-Si-Legierungen (besonders für Kolben und Motorblöcke) mit dem Kohlenstoff bei gleichzeitiger
Zugabe von bis zu 100 ppm Phosphor ist es gelungen, die gewünschte kombinierte Gefügebeeinflussung
zu erreichen.
[0020] Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren
geeignet. Hierzu gehören u. a. Sandguss, Vollformguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss,
Differenzdruck-Kokillenguss, Druckguss und Vakuum-Druckguss.
[0021] Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist vorzugsweise
vorgesehen, dass die für die Zusammensetzung ausgewählten Grundbestandteile gemeinsam
erschmolzen werden. Die Schmelztemperatur beträgt vorzugsweise von 650 °C bis 1000
°C, weiter vorzugsweise von 720 °C bis 950 °C. Anschließend wird in eine Gussform
abgegossen. "Gemeinsam erschmolzen" erfasst auch das allmähliche Zudosieren aller
Bestandteile in eine gemeinsame Schmelze. Kohlenstoff kann als elementarer Kohlenstoff,
z.B. Graphit, aber auch in Form einer Verbindung oder Vorlegierung zugegeben werden.
[0022] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kohlenstoffgehalt insbesondere dadurch
erzielt, dass chemische Kohlenstoffverbindungen und/oder ihre Mischungen zugegeben
werden. Dies kann auch erfolgen, indem pulverförmige Karbide und Karbonitride, auch
in Form eines Sinterproduktes aus Karbiden und Karbonitriden zugegeben werden.
[0023] Alternativ kann eine kohlenstoffhaltige Aluminium-Vorlegierung in die Schmelze aus
den übrigen für die Legierung vorgesehenen Bestandteilen eingebracht oder vorab den
einzuschmelzenden Bestandteilen hinzugefügt werden.
[0024] Die kohlenstoffhaltigen Zusätze können neben Kohlenstoff auch Phosphor und/oder Stickstoff
enthalten.
[0025] Ein besonders bevorzugtes Verfahren nach dieser Erfindung besteht darin, eine A-lumnium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierung
zu verwenden.
[0026] Zwar ist aus der
DE 37 29 937 A1 bereits eine Kornfeinung mit AI-Ti-C-Legierungen bekannt, diese bezieht sich jedoch
ausdrücklich auf AI-Ti-Hauptlegierungen. Dabei werden lange bekannte Schwierigkeiten
bei der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts von Aluminium-Titan-Legierungen darauf zurückgeführt,
dass es in diesen Zusammensetzungen schwierig ist, eine Benetzung zwischen dem Kohlenstoff
und dem geschmolzenen Aluminium zu erzielen. Die beschriebenen Vorlegierungen sind
bei der Herstellung von dünnem Flachmaterial, Folien oder Dosenmaterial besonders
nützlich.
[0027] Auch ist die Zugabe von kohlenstoffhaltigen Vorlegierungen zu Reinaluminium und Aluminiumknetlegierungen
mit dem Ziel der Kornfeinung als solches bekannt, wie z.B. in "
Z. Metallkd. 91 (2000) Heft 10, S. 800 - 806 beschrieben. Die Wirkung von bekannten Al-Ti-C-Vorlegierungen beruht auf dem Einbringen
von TiC-Teilchen, die als Keimbildner für den □-Mischkristall dienen, in die Schmelze
und erfordert nach dem Stand der Technik eine strenge Einhaltung bestimmter Parameter
bei der Schmelzeführung, wie z. B. möglichst niedrige Schmelzetemperaturen und möglichst
kleine Siliziumgehalte, um die Stabilität der TiC-Partikel in der Schmelze zu gewährleisten
und ihre Reaktion mit den anderen Legierungskomponenten zu vermeiden. Bei Silizium-Gehalten
von über 3 Gew.-% kommt es nach Angaben von Greer u. a. (
Advanced Engeneering Materials (2003) Nr. 1-2, Seiten 81 - 91 und "
Continuous Casting, Ed. by K Ehrke and W. Schneider, DGM (2000),
A. Tronche and A. L. Greer, "Effect of Solute Elements on the Grain Structures of
Al-Ti-P and Al-Ti-C Grain-Refined Al Alloys", S. 218-222; 221, 222) zur Vergiftung von TiC durch Silizium, so dass die Kornfeinungswirkung von
TiC auf die □-Aluminium-Mischkristallphase bei der Al-Si-Gusslegierungen verhindert
wird. Die Wirkung des Kohlenstoffs auf die intermetallischen Verbindungen, das Primärsilizium
sowie die eutektischen Phasen in Al-Si-Gusslegierungen ohne Auswirkung auf die □-Mischkristallphase
(d.h. ohne Kornfeinungswirkung durch Kohlenstoff oder das Karbid in dieser Phase)
war bisher nicht bekannt.
[0028] Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind können aus der
erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen
werden.
[0029] Die erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierungen sind zum Gießen von Kolben
und anderen Maschinenteilen für Verbrennungskraftmaschinen, für Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse,
Laufbuchsen oder Motorblöcke besonders geeignet. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung
umfasst daher auch diese Verwendungen.
[0030] Unter Bezugnahme auf die Figuren und Beispiele soll die Erfindung näher illustriert
werden, ohne dass die Beispiele beschränkend zu verstehen wären. Der Fachmann kann
die Erfindung mit Hilfe dessen, was in Beispielen und Figuren anschaulich erläutert
ist, ohne weiteres im gesamten oben angegebenen Umfang ausführen.
[0031] Es zeigen:
Fig. 1 zeigt das Mikrogefüge einer AlSi12CuNiMg-Sekundärlegierung, x 500
Fig. 2 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten AlSi12CuNiMg-Sekundärlegierung
unter Zugabe von Kohlenstoff, x 500
Fig. 3 zeigt das Mikrogefüge einer AlSi14Cu3Mg-Legierung mit Phosphorzugabe, x 100
Fig. 4 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten AlSi14Cu3Mg-Legierung
unter Zugabe von Kohlenstoff und Phosphor, x 100
(Maßstab in den Figuren = 50 µm)
Beispiel 1
Naheutektische Al-Si-Gusslegierung mit Kohlenstoff
[0032] Stellvertretend für die große Gruppe der Al-Si-Gusslegierung wurden die Sekundärlegierung
AlSi12CuNiMg ausgewählt. Die Versuchslegierung wurde in zylindrischer Probekörper
mit einer Gießtemperatur von 780 °C in eine geschlichtete auf 300 °C erwärmte Stahlkokille.
Die Zugabe von Kohlenstoff erfolgte mit Hilfe der selbst hergestellten Al-Ti-C-Vorlegierung.
[0033] Zur Herstellung der AlTi6C1-Vorlegierung kam ein Mittelfrequenz-Induktionsofen zum
Einsatz. In einem Graphittiegel wurde zunächst 2000 g AlTi6-Vorlegierung bei 1400
°C erschmolzen. Dieser Schmelze wurde 30 g Graphitpulver, eingewickelt in Aluminiumfolie,
zugegeben. Der Abguss der so hergestellten Al-Ti-C-Vorlegierung erfolgte nach einer
Haltezeit von etwa 30 in eine Kupferform. Die Vorlegierung besteht aus einer Aluminium-Matrix,
in der Al
3Ti- und TiC-Teilchen eingelagert sind.
[0034] Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der untersuchten Legierungen.
Tabelle 1. Zusammensetzung der Al-Si-Gussleigerung, Gew.-%
|
Si |
C |
Cu |
Ni |
Mg |
Fe |
Mn |
Cr |
Ti |
Zn |
Erfg. Leg. 1 |
12,4 |
0,003 |
1,3 |
0,8 |
1,4 |
1,2 |
0,3 |
0,15 |
0,07 |
0,3 |
Vergl.Leg. 2 |
12,6 |
- |
1,5 |
0,9 |
1,6 |
1,3 |
0,4 |
0,13 |
0,05 |
0,4 |
[0035] Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2. Veredelungsgrad und Länge der intermetallischen Teilchen in der untersuchten Legierung
AlSi12CuNiMg
|
Veredelungsgrad |
Länge der intermetallischen Teilchen, µm |
Erfg. Leg. 1 |
Grad 6: gut veredelt |
20-30 |
Vergl. Leg. 2 |
Grad 3: teilveredelt |
100-600 |
[0036] Die Sekundärlegierung AlSi12CuNiMg weist im Gussgefüge sehr grobe nadelförmige eisenhaltige
Phasen (vorwiegend Al5FeSi-Nadeln) aus, Fig. 1. Dagegen bewirkt Zulegieren mit dem
Kohlenstoff sowohl ein gut veredeltes Eutektikum als auch Ausscheidungen kleiner intermetallischer
Phasen in einer sehr gleichmäßigen Verteilung, Fig. 2.
Beispiel 2
Übereutektische Al-Si-Legierung mit Kohlenstoff
[0037] In diesem Beispiel ist eine übereutektische Al-Si-Gusslegierung mit der erfindungsgemäßen
Legierung mit einer annähernd gleichen Zusammensetzung verglichen wurde, Tabelle 3.
Beide Legierungen wurden mit einer gleichen Menge Phosphor behandelt.
Tabelle 3. Zusammensetzung der übereutektische Al-Si-Gusslegierungen, Gew.-%
|
Si |
Cu |
C |
Mg |
Fe |
Mn |
Ti |
Zn |
P |
Erfg. Leg. 3 |
14,1 |
3,7 |
0,02 |
0,33 |
0,94 |
0,29 |
0,21 |
0,33 |
0,006 |
Vergl. Leg. 4 |
14,6 |
4,1 |
- |
0,32 |
0,73 |
0,28 |
0,22 |
0,35 |
0,006 |
[0038] Eine gleichzeitige Feinung des Primärsiliziums und des Al-Si-Eutektikums war bisher
nicht möglich, Fig. 3. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich Phosphor und Kohlenstoff
in ihrer Wirkung nicht gegenseitig behindern. Auf dem Bild 4 ist es zu sehen, dass
bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,005 Gew.-% eine gute Feinung des primären Siliziums
sowie einen akzeptablen Veredelungsgrad des eutektischen Siliziums erreicht werden
kann. Auch die kompakte Ausbildung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen
in der erfindungsgemäßen Legierung ist von großem technologischem Vorteil.
Beispiel 3
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Gusslegierungen
[0039] Den positiven Einfluss von Kohlenstoff auf Al-Si-Legierungen geben auch die bereits
im Gusszustand erzielten mechanischen Eigenschaften deutlich wieder, Tabelle 4 und
Tabelle 5.
Tabelle 4. Chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen
|
Si |
C |
Cu |
Ni |
Mg |
Fe |
Mn |
Zr |
Ti |
Zn |
Erfg. Leg. 5 |
11,8 |
0,025 |
1,8 |
0,8 |
0,7 |
0,7 |
0,3 |
0,1 |
0,18 |
0,4 |
Vergl. Leg. 6 |
12,5 |
- |
1,5 |
1,1 |
1,1 |
0,4 |
0,3 |
- |
0,15 |
0,1 |
Tabelle 5. Vergleich der mechanischen Eigenschaften bei RT und 250 °C
|
Mechanische Eigenschaften Prüfung bei RT |
Mechanische Eigenschaften nach Vorauslagerung bei 250 °C/100 h Prüfung bei 250 °C |
|
Rm, MPa |
Rp0,2, MPa |
A5, % |
Rm, MPa |
Rp0,2, MPa |
A5, % |
Erfg. Leg. 5, F |
241 |
171 |
0,6 |
147 |
105 |
3,2 |
Vergl. Leg. 6, F |
225 |
152 |
0,7 |
112 |
83 |
9,3 |
Rm - Zugfestigkeit (MPa); Rp0,2 - Dehngrenze (MPa); A5 % - Bruchdehnung in % |
[0040] Die erfindungsgemäße Legierung 5 besitzt für eine Gusslegierung eine gute Festigkeit,
wie sich aus den o. a. Tabellendaten ergibt. Die erfindungsgemäße Legierung 5 hat
zusätzlich eine deutlich bessere Warmfestigkeit als die Vergleichslegierung 6, deren
R
p0,2-Wert bei einer Messung der mechanischen Eigenschaften bei 250 °C nach Vorauslagerung
bei 250 °C stark absinkt.
[0041] Unter "warmfest" verstehen wir hier eine Legierung, deren R
p0,2-Wert nach Vorauslagerung bei 250 °C über wenigstens 50 h, geprüft bei 250 °C, über
55 MPa beträgt.
1. Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit 5 bis 25 Gew.-% Silizium und wenigstens 65 Gew.-%
Aluminium als Hauptlegierungsbestandteilen sowie gegebenenfalls weiteren Bestandteilen
und unvermeidbaren Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
2. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1 mit 5 bis 25 Gew.-% Silizium und
0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff sowie jeweils bis 4 Gew.-% wenigstens eines der
folgenden und in Summe bis 10 Gew.-% der folgenden Legierungsbestandteile: Magnesium,
Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram,
Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan,
Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calzium, Antimon, Schwefel, Barium, Phosphor und
als Rest wenigstens 65 Gew.-% Aluminium einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen.
3. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 5 bis 18 Gew.%, insbesondere 12,5 bis 14,5 Gew.-% Silizium enthält.
4. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Gefüge feines Primärsilizium und veredeltes Eutektikum gleichzeitig vorliegen.
5. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Gefüge intermetallische Phasen als Nadeln oder kleine Plättchen bis zu maximal
40 µm Länge vorhanden sind.
6. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, erhältlich durch
gezielte Einstellung des Kohlenstoffgehaltes auf 0,0007 bis 0,1 Gew.-%.
7. Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt durch Zugabe von Kohlenstoff in beliebiger Form gezielt eingestellt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zusammensetzung ausgewählten Grundbestandteile gemeinsam erschmolzen,
dabei auf eine Temperatur im Intervall von 650 °C bis 1.000 °C, vorzugsweise von 720
°C bis 950 °C erwärmt und in eine Gussform abgegossen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt erzielt wird durch Zugabe von chemischen Kohlenstoffverbindungen
und/oder ihren Mischungen, insbesondere durch Zugabe pulverförmiger Karbide und Karbonitride,
auch in Form eines Sinterproduktes aus Karbiden und Karbonitriden.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,, dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Aluminium-Vorlegierung in die Schmelze aus den übrigen für
die Legierung vorgesehenen Bestandteilen eingebracht oder vorab den einzuschmelzenden
Bestandteilen hinzugefügt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alumnium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierung verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung neben Kohlenstoff auch Phosphor enthält.
13. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Gießen
von thermisch hochbelasteten Maschinenelementen, insbesondere Kolben, Zylinderköpfen,
Kurbelgehäusen, Laufbuchsen oder Motorblöcken jeweils für Verbrennungskraftmaschinen.